高原對(duì)線粒體功能及能量代謝影響研究進(jìn)展

李勃深張宇軒范容暉李茂星*劉天龍*

（1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，蘭州 730000；2.中國(guó)人民解放軍聯(lián)勤保障部隊(duì)第九四〇醫(yī)院全軍高原醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050；3.軍事科學(xué)院軍事醫(yī)學(xué)研究院輻射醫(yī)學(xué)研究所，北京 100850；4.甘肅省高原藥學(xué)行業(yè)技術(shù)中心，蘭州 730050）

自2010 年以來(lái)線粒體相關(guān)研究的發(fā)文量逐年增加［1］，線粒體損傷作為近年來(lái)備受關(guān)注的研究領(lǐng)域，得到了廣泛關(guān)注。 不同誘因造成的損傷將通過(guò)不同機(jī)制表達(dá)，目前對(duì)于高原環(huán)境下線粒體損傷的具體機(jī)制了解仍不充分。 高原對(duì)能量代謝和線粒體的負(fù)面影響，在機(jī)體中可能引發(fā)易疲勞、高血脂癥、組織修復(fù)受阻等問(wèn)題。 此前的研究表明，高原缺氧會(huì)降低生化供能反應(yīng)關(guān)鍵酶活性，導(dǎo)致線粒體功能異常及細(xì)胞凋亡等現(xiàn)象。 在高原，為適應(yīng)環(huán)境，供能反應(yīng)關(guān)鍵酶活性與線粒體會(huì)發(fā)生一系列的適應(yīng)性改變，這對(duì)于高原供能與運(yùn)動(dòng)效能存在負(fù)面影響［2］。 迄今為止，關(guān)于高原環(huán)境對(duì)能量代謝與線粒體損傷的相關(guān)報(bào)道相對(duì)較少。 通過(guò)深入研究高原環(huán)境對(duì)線粒體代謝和功能的影響，我們可以更好地理解高原疾病的發(fā)生機(jī)制，并為其預(yù)防和治療提供理論依和更多藥物防治靶點(diǎn)。 本文旨在綜述高原能量代謝和線粒體損傷機(jī)制，推進(jìn)高原損傷模型和防治藥物的研究。

1 高原對(duì)能量來(lái)源物質(zhì)代謝的影響

1.1 高原作業(yè)所需大分子能量物質(zhì)

糖、蛋白質(zhì)、脂肪是運(yùn)動(dòng)所需的三大能量來(lái)源。糖作為人體能量的主要來(lái)源，運(yùn)動(dòng)作業(yè)時(shí)通過(guò)線粒體有氧氧化產(chǎn)生三磷酸腺苷 （ adenosine triphosphate，ATP）為機(jī)體供給能量；蛋白質(zhì)作為能量來(lái)源發(fā)揮的作用并不大，但在保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)作業(yè)時(shí)間接為身體供給能量有重要作用，如血紅蛋白及肌紅蛋白具有攜帶、運(yùn)輸和貯藏氧的能力［3］，蛋白質(zhì)是保證運(yùn)動(dòng)作業(yè)的基石；脂肪是體內(nèi)最豐富的酯類物質(zhì)，不僅是機(jī)體產(chǎn)能最多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，也是機(jī)體最有效的儲(chǔ)能形式，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中脂肪參與糖酵解過(guò)程，在進(jìn)入身體活化之后通過(guò)線粒體的β-氧化過(guò)程生成乙酰輔酶A，從而進(jìn)入三羧酸循環(huán)（tricarboxylic acid cycle，TCA cycle），釋放大量能量。

1.2 缺氧與大分子能量物質(zhì)代謝關(guān)系

缺氧環(huán)境下，肝、心肌、骨骼肌等臟器中糖類含量均有降低趨勢(shì)，以肝糖原、肌糖原的減少尤為明顯［4］。 肝、肌糖原減少，人體容易出現(xiàn)疲勞感、無(wú)力感及運(yùn)動(dòng)能力下降等問(wèn)題，且體內(nèi)的蛋白質(zhì)分解量多于合成量，將出現(xiàn)消化率下降和負(fù)氮平衡，同時(shí)血紅蛋白、肌紅蛋白等一系列關(guān)鍵蛋白的合成發(fā)生障礙，人體的運(yùn)動(dòng)能力和損傷修復(fù)受到負(fù)面影響［5－6］。 脂肪的消耗需要氧氣的直接參與，缺氧導(dǎo)致了體內(nèi)脂肪酸的含量升高，超過(guò)了體內(nèi)臟器的轉(zhuǎn)運(yùn)能力，同時(shí)缺氧又導(dǎo)致本來(lái)脂肪動(dòng)員下加速生產(chǎn)的磷脂代謝出現(xiàn)障礙，加重了脂肪在臟器內(nèi)的堆積，并可能引起高血脂癥［7］。

機(jī)體運(yùn)動(dòng)時(shí)，糖原作為人體內(nèi)糖類成分的儲(chǔ)存形式會(huì)分解釋放產(chǎn)生能量，但高原環(huán)境下糖原釋放和反應(yīng)供能受阻。 研究表明，在高原環(huán)境中開(kāi)展運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練會(huì)導(dǎo)致肝糖原的含量降低［8］，而肌糖原含量的減少又將無(wú)法保證肌肉活動(dòng)的能量供給，從而影響高原作業(yè)。 陶文迪等［9］對(duì)Wistar 大鼠進(jìn)行模擬急進(jìn)高原運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)與對(duì)照組大鼠相比，缺氧組大鼠的肝糖原、肌糖原含量顯著降低，游泳力竭時(shí)間顯著縮短。 另有研究稱，大鼠在6000 m 模擬海拔高度下血糖降低，胰島素水平升高，肝糖原含量增加，肌糖原含量減少，糖脂代謝出現(xiàn)功能紊亂，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中無(wú)法維持機(jī)體穩(wěn)態(tài)［10］。 倪倩等［11］發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)入高原早期肝糖異生環(huán)節(jié)的限速酶葡萄糖－6－磷酸酶以及肝糖原含量顯著增高，這是機(jī)體習(xí)服高原環(huán)境的機(jī)制之一。 氧氣在合成ATP 中起著重要作用，在常氧條件下維持蛋白質(zhì)合成的生產(chǎn)速率。 在缺氧狀態(tài)下，各類生化反應(yīng)所需的蛋白質(zhì)合成速率由于ATP 有限而顯著減慢和受損［12］。 在高原缺氧環(huán)境下作業(yè)消耗大量能量時(shí)，糖原含量減少、脂質(zhì)代謝減慢和蛋白質(zhì)合成受損將直接導(dǎo)致高原運(yùn)動(dòng)效降低能甚至是高原疾病的發(fā)生。 高原環(huán)境從來(lái)源上抑制了整個(gè)能量代謝途徑，通過(guò)合理調(diào)整飲食結(jié)構(gòu)，增加能量供給和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)攝入，有助于緩解代謝異常和提高適應(yīng)能力。

2 高原缺氧與能量代謝及相關(guān)酶

高原缺氧條件對(duì)線粒體內(nèi)關(guān)鍵的生化供能反應(yīng)關(guān)鍵酶的抑制作用將導(dǎo)致機(jī)體作業(yè)的易疲勞、運(yùn)動(dòng)效能降低和一系列的代謝性疾?。▓D1）。

圖1 高原缺氧環(huán)境下線粒體內(nèi)的生化供能反應(yīng)Figure 1 Biochemical energy supply responses in mitochondria under hypoxic conditions at altitude

2.1 丙酮酸代謝過(guò)程相關(guān)酶

丙酮酸是天然存在于體內(nèi)的小分子物質(zhì)，是機(jī)體整個(gè)生命活動(dòng)的中間產(chǎn)物，丙酮酸通過(guò)生成乙酰輔酶A 參與三大營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)代謝過(guò)程，起著重要的樞紐作用，為三羧酸循環(huán)奠定物質(zhì)基礎(chǔ)，通過(guò)保護(hù)糖酵解過(guò)程改善乳酸堆積，提高機(jī)體在缺氧狀態(tài)下的耐受性并減少自由基形成和缺氧損傷［13－14］。 線粒體中丙酮酸的代謝受多種酶調(diào)控，包括線粒體丙酮酸載體酶復(fù)合物（mitochondrial pyruvate carrier，MPC）、 丙 酮 酸 脫 氫 酶 復(fù) 合 物 （ pyruvate dehydrogenase complex，PDHC）決定了丙酮酸參與供能的反應(yīng)速率，間接調(diào)節(jié)能量供給［15］。 研究稱，丙酮酸作為糖酵解的終末產(chǎn)物，慢性缺氧時(shí)將導(dǎo)致糖酵解水平提高，線粒體丙酮酸代謝過(guò)程受PDHC 的調(diào)節(jié)。 急性缺氧時(shí)人骨骼肌和小鼠胚胎細(xì)胞中PDHC 活性顯著降低，激活PDHC 將有效改善慢性缺氧期間的丙酮酸代謝阻滯［16］。 Wang 等［17］發(fā)現(xiàn)缺氧狀態(tài)下人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞糖酵解水平升高，乳酸分泌增加，MPC1 和MPC2 水平降低。 高原缺氧將抑制丙酮酸代謝過(guò)程中的關(guān)鍵酶活性，導(dǎo)致代謝過(guò)程受阻從而導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)產(chǎn)物堆積、氧化應(yīng)激、糖類代謝不完整并影響三羧酸循環(huán)及運(yùn)動(dòng)效能。

2.2 三羧酸循環(huán)相關(guān)酶

TCA cycle 是物質(zhì)氧化而獲得能量的最有效方式。 高原缺氧將導(dǎo)致TCA cycle 中有氧呼吸相關(guān)酶含量與活性降低，導(dǎo)致高原作業(yè)因供能不足而效能下降。 長(zhǎng)期暴露于缺氧環(huán)境可能引起參與TCA cycle 的檸檬酸合酶（citrate synthase，CS）、烏頭酸酶、異檸檬酸脫氫酶（isocitrate dehydrogenase，IDH）、α-酮戊二酸脫氫酶、 琥珀酸脫氫酶（succinate dehydrogenase，SDH） 和 蘋 果 酸 脫 氫 酶 （malate dehydrogenase，MDH）活性降低［18－19］。

研究表明，檸檬酸合酶活性與細(xì)胞呼吸能力呈線性關(guān)系［20］，缺氧將導(dǎo)致細(xì)胞呼吸能力的降低，從而影響線粒體代謝［21］。 Peng 等［22］發(fā)現(xiàn)，缺氧將抑制氧化型共濟(jì)失調(diào)毛細(xì)血管擴(kuò)張突變基因（ataxia telangiectasia-mutated gene，ATM）活性，從而降低磷酸果糖激酶和檸檬酸合酶水平，這是兩種葡萄糖代謝相關(guān)的關(guān)鍵酶。 Tsui 等［23］對(duì)缺氧人體前列腺細(xì)胞中烏頭酸酶的基因表達(dá)影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，缺氧將上調(diào)人體前列腺細(xì)胞中缺氧誘導(dǎo)因子1α（hypoxia-inducible factor 1α，HIF-1α）的水平而減少烏頭酸酶的表達(dá)。 Carvalho 等［24］對(duì)常氧與慢性缺氧大鼠腦血管和突觸體進(jìn)行氧化狀態(tài)研究，檢測(cè)線粒體烏頭酸酶活性、 過(guò)氧化氫和谷胱甘肽（glutathione，GSH）水平等，發(fā)現(xiàn)缺氧后大鼠腦血管與突觸體中烏頭酸酶活性顯著降低；過(guò)氧化氫水平在腦血管中呈升高，突觸體中降低；GSH 水平在腦血管中無(wú)顯著性差異，在突觸體中降低。 徐建方等［25］發(fā)現(xiàn)大鼠比目魚肌中IDH 因缺氧而表達(dá)抑制，但由于時(shí)間的延長(zhǎng)而有顯著緩解；α-酮戊二酸脫氫酶的表達(dá)在缺氧運(yùn)動(dòng)第一周開(kāi)始顯著下降，然后以較低表達(dá)量至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。 IDH 在低氧存活的細(xì)胞中表達(dá)抑制［26］。 在線粒體中，缺氧將導(dǎo)致谷氨酰胺轉(zhuǎn)化α-酮戊二酸的速率因IDH 的抑制而降低［27］。 徐玉明等［28］發(fā)現(xiàn)SD 大鼠在進(jìn)入模擬海拔4300 m 后MDH 水平均顯著降低，運(yùn)動(dòng)后降低趨勢(shì)更加明顯。李茂星等［29］發(fā)現(xiàn)balb／c 小鼠在模擬海拔4000 m 負(fù)重游泳后肝、肌肉與血清中MDH、SDH 活性顯著降低。 缺氧細(xì)胞將依靠有氧氧化通路代償性升高相關(guān)酶活性來(lái)補(bǔ)償缺氧導(dǎo)致的能量供應(yīng)不足，有報(bào)道稱，人體肝癌細(xì)胞缺氧后出現(xiàn)了SDH 與MDH 的活性代償性升高，但在持續(xù)缺氧后活性出現(xiàn)顯著下降［30］。 高原缺氧通過(guò)抑制關(guān)鍵酶活性降低三羧酸供能效率，直接導(dǎo)致高原疾病或運(yùn)動(dòng)效能的降低。

2.3 β-氧化相關(guān)酶

β-氧化是脂肪酸在線粒體內(nèi)由一系列酶催化轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A 繼而為機(jī)體供給能量的過(guò)程。 肉堿脂酰轉(zhuǎn)運(yùn)酶（carnitine palmitoyl transferase，CPT）是β-氧化過(guò)程中的關(guān)鍵酶，在缺氧狀況下，脂酰輔酶A 數(shù)量增多，同時(shí)CPT 也被急劇消耗，導(dǎo)致線粒體β-氧化速率降低［31］。 Kennedy 等［32］發(fā)現(xiàn)SD 大鼠在模擬海拔4300 m 處，急、慢性暴露后心臟與指伸長(zhǎng)肌中CPT-I 活性以及心臟組織中β-羥脂酰輔酶A 脫氫酶（β-hydroxyacyl CoA dehydrogenas，β-HAD）活性對(duì)比平原對(duì)照組顯著降低；慢性暴露后心臟組織中β-HAD 活性顯著降低，急性暴露時(shí)無(wú)顯著差異。 Dutta 等［33］發(fā)現(xiàn)缺氧和冷缺氧暴露1 d 會(huì)顯著降低SD 大鼠肌肉和肝中CPT-I 活性，而單純的冷暴露則顯著提高CPT-I 活性；缺氧和冷缺氧暴露7 d 會(huì)導(dǎo)致肌肉和肝的CPT-I 活性顯著降低，而冷暴露雖顯著降低肌肉的CPT-I 活性，但卻顯著提高肝的CPT-I 活性。 此外，缺氧、冷暴露和冷缺氧暴露1 d 和7 d 會(huì)顯著降低肌肉和肝的β-HAD 活性。

2.4 氧化磷酸化相關(guān)酶

氧化磷酸化是一個(gè)復(fù)雜生物化學(xué)過(guò)程，氧化磷酸化過(guò)程在線粒體中發(fā)生，線粒體內(nèi)膜上的線粒體復(fù)合酶是該過(guò)程的關(guān)鍵酶，由五個(gè)復(fù)合物組成：線粒體復(fù)合物I（NADH-CoQ 還原酶或NADH 脫氫酶）、Ⅱ（琥珀酸脫氫酶）、Ⅲ（細(xì)胞色素C 還原酶）、Ⅳ（細(xì)胞色素C 氧化酶）和Ⅴ（F1F0-ATP 合成酶）構(gòu)成呼吸鏈，也稱電子傳遞鏈，其功能是進(jìn)行電子傳遞、H＋傳遞及將TCA cycle 產(chǎn)生的輔酶通過(guò)氧化呼吸鏈產(chǎn)生H2O 和ATP。 研究表明，將A549 細(xì)胞在5 mmol 葡萄糖、25 mmol 葡萄糖和10 mmol 半乳糖代謝環(huán)境中培養(yǎng)72 h 后，發(fā)現(xiàn)，葡萄糖基細(xì)胞在常氧時(shí)產(chǎn)生的ATP 量顯著高于低氧培養(yǎng)時(shí)；半乳糖基細(xì)胞在低氧時(shí)能產(chǎn)生更多ATP［34］。 低氧導(dǎo)致線粒體能量代謝障礙，這與線粒體呼吸鏈酶活性下降有關(guān)。 靳婉君等［35］對(duì)雄性BALB／c 小鼠進(jìn)行模擬海拔8000 m 缺氧72 h 處理后發(fā)現(xiàn)，缺氧模型組對(duì)比空白對(duì)照組線粒體膜電位、線粒體復(fù)合物Ⅰ、Ⅱ出現(xiàn)顯著降低。 研究表明，在線粒體能量代謝障礙時(shí)，出現(xiàn)認(rèn)知損傷患者的腦組織線粒體復(fù)合物Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ均有不同程度的下降［36－37］。 另有報(bào)道稱，對(duì)SD 大鼠進(jìn)行低氧處理7 h 后發(fā)現(xiàn)，缺氧模型組對(duì)比正常組大鼠腦、心、腎組織中線粒體復(fù)合物Ⅰ、Ⅳ均顯著下降［38］。

F1F0-ATP 合成酶又稱線粒體ATP 合酶，參與催化氧化磷酸化；同時(shí)在電子傳遞鏈產(chǎn)生的跨膜質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)的推動(dòng)下合成ATP。 有研究稱，缺氧將導(dǎo)致Wistar 大鼠肺組織線粒體ATP 合酶缺氧4 周時(shí)活性顯著下調(diào)［39］。 另有研究稱，雄性SD 大鼠于模擬11.3%氧濃度（等效海拔5000 m）的環(huán)境中持續(xù)暴露4 周發(fā)現(xiàn)，與常氧對(duì)照組比較，常氧運(yùn)動(dòng)組和低氧運(yùn)動(dòng)組的ATP 合酶的活性顯著升高，低氧對(duì)照組線粒體復(fù)合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ和ATP 合酶的活性和膜電位顯著降低；低氧運(yùn)動(dòng)組和對(duì)照組比較，線粒體復(fù)合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ和ATP 合酶的活性和膜電位顯著升高［40］。 低氧運(yùn)動(dòng)對(duì)ATP 需求更大，更加考驗(yàn)線粒體中各環(huán)節(jié)生化供能相關(guān)酶的活性及協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)運(yùn)能力。

3 高原環(huán)境下線粒體形態(tài)結(jié)構(gòu)及數(shù)目變化

總的來(lái)說(shuō)，缺氧對(duì)于線粒體內(nèi)、外各生化反應(yīng)環(huán)節(jié)都存在抑制作用，這極大程度影響了細(xì)胞活力和正常代謝。 除此之外，線粒體數(shù)目的減少與超微結(jié)構(gòu)的變化對(duì)于線粒體合成ATP 的效率也有直接影響（圖2）。

圖2 高原缺氧后線粒體形態(tài)結(jié)構(gòu)及數(shù)目的變化Figure 2 Changes in the morphological structure and number of mitochondria after hypoxia in the highlands

3.1 高原使線粒體數(shù)目減少

Levett 等［41］選取CXE 探險(xiǎn)隊(duì)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在平原（海拔75 m）和尼泊爾珠穆朗瑪峰大本營(yíng)（海拔5300 m）對(duì)所有受試者進(jìn)行活檢取樣，通過(guò)電鏡觀察肌肉形態(tài)（包括線粒體密度和分布）后發(fā)現(xiàn)，在暴露于海拔高度19 d 后，大本營(yíng)的人肌肉活檢中線粒體密度無(wú)顯著變化，登山隊(duì)在暴露于低壓缺氧66 d后，總線粒體密度降低21%，線粒體體積變小。 肌原纖維間線粒體降低了14%，而肌膜下線粒體丟失73%。 肌膜下線粒體被認(rèn)為在為細(xì)胞膜上的離子泵提供ATP 方面很重要。 Hoppeler 等［42］以在5200 m大本營(yíng)停留至少6 周并部分暴露于海拔超過(guò)8000 m 環(huán)境下的人群為研究對(duì)象，進(jìn)行肌肉活檢并利用透射電鏡進(jìn)行形態(tài)學(xué)分析。 結(jié)果表明，與低海拔相比，暴露于高海拔下的肌肉線粒體體積密度降低了近20%。 此外，該研究還發(fā)現(xiàn)，線粒體體積密度的降低主要是由于肌膜下線粒體減少導(dǎo)致的，而纖維間線粒體的降低比例相對(duì)較小。

線粒體密度與功能和缺氧暴露時(shí)間及海拔直接相關(guān)，高原環(huán)境將導(dǎo)致活性氧（reactive oxygen species，ROS）加速生成，損害蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、線粒體DNA 及ATP 的合成，從而影響細(xì)胞正常功能［43－44］。有研究稱，ROS 的產(chǎn)生伴隨著海拔的上升而增加，在7000 m 以上將迅速生成［45］，迅速生成的ROS 將造成缺氧細(xì)胞的凋亡和線粒體的主動(dòng)減少。 線粒體膜電位（mitochondrial membrane potential，MMP）的穩(wěn)定是維持氧化磷酸化過(guò)程合成ATP 的先決條件MMP 的穩(wěn)定利于細(xì)胞正常生理功能，研究稱MMP 將隨缺氧時(shí)間的延長(zhǎng)出現(xiàn)下降（稱MMP 耗散），MMP 的耗散影響了ATP 合成且加速了缺氧細(xì)胞的凋亡，造成了線粒體密度的降低［46］。

3.2 高原使線粒體體積與內(nèi)脊形態(tài)改變

Lukyanova 等［47］選擇在極高海拔（11 000 m）存活時(shí)間在2 min 以下的近交系大鼠為低缺氧耐性組（low resistance，LR），存活時(shí)間在6～8 min 為高缺氧耐性組（high resistance，HR），觀察不同海拔高度下大鼠大腦皮層線粒體的超微型態(tài)變化，以常氧空白組作為對(duì)照組，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，常氧時(shí)HR 的小體積、長(zhǎng)、超長(zhǎng)線粒體（長(zhǎng)度：0.14～0.25、0.5～3、＞4 μm）和總線粒體數(shù)分別為L(zhǎng)R 的1.15、1.31、3.67 以及1.18倍。 這種常氧下線粒體的“拉長(zhǎng)”是線粒體中ATP增加生成、MMP 升高和ROS 生產(chǎn)減少的典型特征［48］；與此同時(shí)，在模擬海拔5000 m 時(shí)，LR 組小體積線粒體數(shù)目對(duì)比對(duì)照組大鼠提高3.6 倍；同時(shí)，長(zhǎng)線粒體與超長(zhǎng)線粒體數(shù)目明顯減少，線粒體脊形狀與密度無(wú)變化；在HR 中小線粒體數(shù)目對(duì)比對(duì)照組幾乎不變，長(zhǎng)線粒體與超長(zhǎng)線粒體數(shù)目明顯減少，但線粒體脊排列更加緊密；在模擬海拔7000 m 時(shí)，LR 中小線粒體、長(zhǎng)線粒體、超長(zhǎng)線粒體對(duì)比對(duì)照組均顯著增加，分別為對(duì)照組的1.8、1.4 和2.1 倍，線粒體排列雜亂、基質(zhì)濃縮、脊腫脹［47］；增多的小線粒體中出現(xiàn)了“球狀”特征，這可能是線粒體MMP 降低、鈣代謝紊亂和ROS 增加的信號(hào)［49］。

蔡明春等［50］在一項(xiàng)研究中比較了平原與急、慢性缺氧（模擬海拔4000 m，40 d）后Wistar 大鼠腦線粒體超微結(jié)構(gòu)。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，急性缺氧后大鼠腦線粒體體積增大、膜結(jié)構(gòu)不清、脊紊亂、脊腫脹等病理形態(tài)；此外，腦線粒體平均直徑和截面積增大，比表面積減小。 慢性缺氧后大鼠腦線粒體形態(tài)參數(shù)與平原大鼠相比無(wú)顯著差異，說(shuō)明在40 d 模擬4000 m海拔的低壓缺氧暴露后，腦線粒體形態(tài)結(jié)構(gòu)已經(jīng)恢復(fù)正常，這可能是對(duì)缺氧適應(yīng)性的表現(xiàn)。 低壓低氧會(huì)導(dǎo)致部分線粒體腫脹和擴(kuò)張，體現(xiàn)為內(nèi)部脊結(jié)構(gòu)缺失，線粒體形態(tài)與脊的數(shù)目決定了線粒體復(fù)合物和F1F0-ATP 合酶的分布區(qū)域和活性［51－52］。

4 小結(jié)

缺氧是高原地區(qū)能量物質(zhì)利用與線粒體功能受影響的最直接因素。 在高原缺氧時(shí)，食欲下降、機(jī)體代謝效率降低、內(nèi)分泌水平失調(diào)等現(xiàn)象使得機(jī)體出現(xiàn)能量供給不平衡、細(xì)胞活力低下，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡與組織損傷。 此外，高原缺氧條件下，線粒體的氧化磷酸化功能減弱，進(jìn)而對(duì)糖代謝產(chǎn)生負(fù)面影響。 作為重要的能量來(lái)源之一，糖需要通過(guò)酵解來(lái)滿足機(jī)體在缺氧環(huán)境下的能量需求。 然而，由于線粒體功能受限，糖酵解效率降低，導(dǎo)致能量供應(yīng)不足，多臟器組織內(nèi)糖原加速消耗。 缺氧后，機(jī)體可能更傾向于利用脂肪作為能量?jī)?chǔ)存形式。 然而，受損的線粒體功能與生化過(guò)程導(dǎo)致脂肪的氧化代謝能力下降，使其難以有效轉(zhuǎn)化為能量，發(fā)生脂類代謝障礙，加重組織與臟器的脂肪堆積。 此外，缺氧將增加體內(nèi)蛋白質(zhì)分解，以提供必要的氮源，用于新蛋白質(zhì)的合成。 這種失衡狀況可能導(dǎo)致肌肉組織的損失和一眾生化反應(yīng)的停滯，從而影響高原作業(yè)效能。

線粒體作為細(xì)胞的“動(dòng)力工廠”，是細(xì)胞與組織能量代謝和有氧氧化的重要場(chǎng)所。 高原環(huán)境中，丙酮酸代謝、三羧酸循環(huán)、β-氧化、氧化磷酸化過(guò)程等生化反應(yīng)途徑因關(guān)鍵酶的低缺氧耐性受到抑制，這影響了組織的有氧代謝與線粒體ATP 的合成，與此同時(shí)，線粒體超微結(jié)構(gòu)也會(huì)根據(jù)海拔高度升高而發(fā)生改變，高海拔時(shí)線粒體總密度、總數(shù)目、線粒體內(nèi)膜脊的形態(tài)與線粒體大小等均出現(xiàn)不同程度的負(fù)效應(yīng)。 線粒體呼吸鏈復(fù)合物及F1F0-ATP 合酶的分布和活性受到影響、MMP 缺氧耗散、ROS 含量激增，線粒體數(shù)目減少；與此同時(shí)，線粒體的內(nèi)脊腫脹將影響線粒體內(nèi)部的物質(zhì)運(yùn)輸和能量轉(zhuǎn)換效率，這阻礙了ATP 的合成并加速了缺氧細(xì)胞的凋亡。 有報(bào)道稱，低氧線粒體的丟失可能是一種適應(yīng)性反應(yīng)，其目的是減少有害的ROS 的產(chǎn)生，延緩缺氧細(xì)胞凋亡速度［53］；也有可能是細(xì)胞內(nèi)有氧代謝水平降低，機(jī)體做出的適應(yīng)性調(diào)整，而有高負(fù)荷的供能需求時(shí)線粒體又能做出“拉長(zhǎng)”這樣增加供能的形態(tài)改變。在進(jìn)行高原作業(yè)時(shí)機(jī)體易疲勞、易出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)損傷和高血脂癥，可通過(guò)增加能量攝入和高碳水化合物配給、藥物干預(yù)、高原習(xí)服訓(xùn)練等方式改善作業(yè)效能與機(jī)體損傷修復(fù)功能。

總之，高原缺氧對(duì)于能量代謝、生化供能反應(yīng)和線粒體超微結(jié)構(gòu)的負(fù)效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致線粒體損傷甚至是高原作業(yè)效能的降低，高原條件下的缺氧、氧化應(yīng)激、能量代謝紊亂等因素可能共同作用，導(dǎo)致線粒體損傷的發(fā)生。 然而，相關(guān)機(jī)制的深入探究仍待開(kāi)展。 不完善的損傷機(jī)制意味著在篩選符合機(jī)制的防治藥物時(shí)選擇面更為狹窄。 因此，對(duì)于這種影響機(jī)制的深入研究將極大推動(dòng)多藥物、多靶點(diǎn)防治高原損傷的發(fā)展。

近年來(lái)，線粒體損傷新機(jī)制的發(fā)現(xiàn)造就了線粒體研究熱，如“鐵死亡”這一新興的研究領(lǐng)域；研究稱，缺氧會(huì)促進(jìn)鐵死亡［54］。 鐵死亡是一種新型細(xì)胞程序性死亡方式，鐵死亡對(duì)于線粒體功能及形態(tài)特征有直接的調(diào)節(jié)作用［55］；缺氧細(xì)胞中ROS 和氧化應(yīng)激水平升高，線粒體體積減小、內(nèi)脊數(shù)目減少，加劇細(xì)胞在缺氧狀態(tài)下的損傷［54，56］。 高原鐵死亡還可能導(dǎo)致機(jī)體腦損傷與神經(jīng)行為損傷，出現(xiàn)高原認(rèn)知障礙，影響精細(xì)工作能力［57－58］。 未來(lái)，鐵死亡的發(fā)生水平可能作為高原線粒體損傷或高原細(xì)胞損傷的驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于高原損傷疾病、動(dòng)物模型和高原損傷防治藥物的研究有重大意義［59］。 線粒體損傷機(jī)制的完善有助于尋找新的治療策略和藥物靶點(diǎn)，從而提高進(jìn)入高原人群的適應(yīng)能力和健康水平。